基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫度記錄儀的研制.pdf

1、溫度敏感性產(chǎn)品，如冷藏藥品、奶制品和農(nóng)產(chǎn)品等，從生產(chǎn)、貯藏運(yùn)輸、銷售，到消費(fèi)前的各個(gè)環(huán)節(jié)中，始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。這就需要一項(xiàng)低溫系統(tǒng)工程——“冷鏈”。特別是醫(yī)藥行業(yè)，藥品的質(zhì)量關(guān)乎人民的健康與社會(huì)的安定，而且它比—般農(nóng)產(chǎn)品對(duì)冷藏條件要求更高。確保冷藏藥品的質(zhì)量安全是醫(yī)藥冷鏈的主要目的，保持低溫環(huán)境是醫(yī)藥冷鏈的核心要求。我國(guó)醫(yī)藥冷鏈行業(yè)正處于起步階段，發(fā)展現(xiàn)狀可總結(jié)為：醫(yī)藥市場(chǎng)需求激增，醫(yī)藥冷鏈物流發(fā)展空間廣闊；缺

2、少執(zhí)行力強(qiáng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，近79％的冷藏藥品在運(yùn)輸中沒(méi)有溫度監(jiān)測(cè)；信息系統(tǒng)不完善，缺乏上下游信息的銜接和共享，常出現(xiàn)“斷鏈”現(xiàn)象；基礎(chǔ)設(shè)備落后，自動(dòng)化水平低，難以保證可靠性；專業(yè)人才匱乏。可見(jiàn)，我國(guó)醫(yī)藥冷鏈正面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，亟待建立全程監(jiān)測(cè)和追溯系統(tǒng)，構(gòu)建信息化服務(wù)平臺(tái)。本文在查閱大量文獻(xiàn)和調(diào)研國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)醫(yī)藥冷鏈監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和不足，研制了一款基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能溫度記錄儀。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 ⑴無(wú)

3、線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）—種新興的高科技產(chǎn)業(yè)，以其微型化、低功耗、自組網(wǎng)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、醫(yī)療、智能家居、大型倉(cāng)庫(kù)管理等領(lǐng)域。WSN目前在物流行業(yè)的主要應(yīng)用包括倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)、在途貨物監(jiān)測(cè)和貨物管理等。若將WSN應(yīng)用于醫(yī)藥冷鏈，可實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人值守、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，極大地避免因冷鏈設(shè)備自身故障、人為操作失誤、制冷劑失效等問(wèn)題引起地冷藏藥品的質(zhì)量

4、問(wèn)題，保障醫(yī)藥冷鏈設(shè)備持續(xù)有效的運(yùn)行，從而提高醫(yī)藥冷鏈的可靠性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)、樹(shù)形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。星型網(wǎng)是一個(gè)單跳網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，最易實(shí)現(xiàn)，最容易診斷維護(hù)故障，適用于小范圍室內(nèi)監(jiān)測(cè)。樹(shù)形網(wǎng)是分級(jí)的集中控制型網(wǎng)絡(luò)，成本較低，節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)充。但各子節(jié)點(diǎn)對(duì)母節(jié)點(diǎn)的依賴性強(qiáng)，若母節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則其子節(jié)點(diǎn)都不能正常工作。網(wǎng)狀網(wǎng)是一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間均可通信，因此該網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍大，自愈能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，但該網(wǎng)

5、絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可維護(hù)性差。綜上所述，各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同場(chǎng)合。本文最終采用節(jié)點(diǎn)功耗最低的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以監(jiān)測(cè)終端為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，構(gòu)建低功耗、短延時(shí)、易于維護(hù)的高效的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　 ⑵醫(yī)藥冷鏈溫度記錄儀總體設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫度記錄儀，可用于對(duì)冷藏藥品從加工、貯藏、運(yùn)輸?shù)绞褂们暗娜虦囟缺O(jiān)測(cè)、記錄和預(yù)警。本記錄儀由若干個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)智能監(jiān)測(cè)終端組成，其中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分別對(duì)批量貯

6、藏箱體、移動(dòng)運(yùn)輸工具進(jìn)行實(shí)時(shí)周期性地溫度采集和預(yù)處理，并同步發(fā)送給站內(nèi)監(jiān)測(cè)終端;終端對(duì)多項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行海量存儲(chǔ)、分析處理，并可實(shí)現(xiàn)高低溫短信報(bào)警，以及向監(jiān)管部門和使用者提供歷史數(shù)據(jù)追溯。
　　 ⑶記錄儀的硬件設(shè)計(jì)。根據(jù)記錄儀的總體設(shè)計(jì)方案，本智能溫度記錄儀由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和智能監(jiān)測(cè)終端兩部分組成。本文分別對(duì)節(jié)點(diǎn)和終端模塊化，并依次完成各個(gè)部分的功能框圖設(shè)計(jì)、器件選型、原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)和實(shí)物焊接。其中節(jié)點(diǎn)包括傳感器單元、

7、主控單元、通信單元和電池四部分，終端包括主控單元、觸摸屏、通信單元、報(bào)警單元、存儲(chǔ)單元和電源。①節(jié)點(diǎn)選用超低功耗芯片ATmega169作為主控芯片，利用溫度傳感器Pt100采集冷藏環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)射頻模塊JTT4432與智能監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)交互溫度信息，采用兩節(jié)七號(hào)堿電池供電。整個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)具備微型化、低功耗、低成本、可擴(kuò)展性和高可靠性等特點(diǎn)。②高精度測(cè)量電路。溫度傳感器Pt100經(jīng)恒流源驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生一個(gè)精密的溫度電壓值，該電壓信號(hào)流過(guò)低

8、溫漂高精度運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，再通過(guò)二階有源低通濾波器提高抗干擾能力，最后經(jīng)單片機(jī)12bit ADC采樣、軟件處理獲取-100～100℃范圍內(nèi)，精度為0.1℃的溫度數(shù)據(jù)。③監(jiān)測(cè)終端采用主從控制模式，觸摸屏SK_AE050為主機(jī)，單片機(jī)ATmega128為從機(jī)，通過(guò)RS232連接。觸摸屏觸發(fā)Atmega128通過(guò)無(wú)線通信模塊JTT4432與節(jié)點(diǎn)交互溫度信息;Atmega128對(duì)節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)分析匯總;海量溫度數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在SD卡中;當(dāng)溫度超限

9、時(shí)，GSM模塊TC35實(shí)時(shí)向用戶發(fā)送報(bào)警短信;電源采用220V市電，經(jīng)AC-DC電源模塊LH20-10B24輸出24V電壓。⑷記錄儀的軟件設(shè)計(jì)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要包括主程序、溫度采集子程序、射頻收發(fā)子程序、顯示子程序和電池控制子程序。節(jié)點(diǎn)首先對(duì)Atmage169及各模塊芯片初始化，配置節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài);按設(shè)定頻率采集溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理、顯示;同時(shí)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)等待射頻中斷觸發(fā)，接收監(jiān)測(cè)終端發(fā)來(lái)的命令幀，收到處理命令幀，載入采集

10、數(shù)據(jù)值返回終端。智能監(jiān)測(cè)終端軟件包括內(nèi)部通信程序和外圍控制程序。其中觸摸屏與單片機(jī)間的內(nèi)部通信通過(guò)MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn);終端外圍控制程序又包括主程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、射頻收發(fā)子程序和報(bào)警子程序等。
　　 ⑸人機(jī)界面設(shè)計(jì)。友好的人機(jī)交互環(huán)境是儀器設(shè)計(jì)的重要組成之一。本設(shè)計(jì)采用觸摸屏為用戶提供一個(gè)生動(dòng)、直觀的、易于操作的監(jiān)測(cè)環(huán)境。本記錄儀實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互功能包括，用戶登錄、節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示、高低溫報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)查詢等

11、。人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)主要分為兩部分:基于組態(tài)軟件SK Workshop4.0.0的畫面設(shè)計(jì);基于MODBUS協(xié)議完成與單片機(jī)通訊程序編寫。
　　 ⑹整機(jī)性能測(cè)試。在已搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行整機(jī)性能測(cè)試。主要包括測(cè)溫實(shí)驗(yàn)、通信可靠性實(shí)驗(yàn)和電池工作時(shí)間計(jì)算。通過(guò)多次性能測(cè)試結(jié)果表明，本文研發(fā)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫度記錄儀，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可有效的解決醫(yī)藥冷鏈監(jiān)控過(guò)程中對(duì)高精度、全程記錄、低功耗、實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史追溯的需求。

12、通過(guò)該無(wú)線溫度記錄儀的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線冷鏈設(shè)備溫度監(jiān)控，大幅提高血液、疫苗等冷藏藥品冷鏈保障的可靠性，依據(jù)記錄數(shù)據(jù)驗(yàn)證冷鏈儲(chǔ)運(yùn)性能，降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，避免因設(shè)備故障或人員操作失誤造成寶貴的藥品因溫度問(wèn)題而損壞。采用該記錄儀全天候監(jiān)測(cè)、記錄、預(yù)警，多方位冷鏈異常信息獲取，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守冷鏈實(shí)時(shí)在線監(jiān)控功能，提高醫(yī)藥儲(chǔ)運(yùn)的監(jiān)控效率和監(jiān)控的可靠性，及時(shí)預(yù)警。
　　 ⑺本文的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)主要有：①高精度測(cè)溫電路。關(guān)鍵是設(shè)計(jì)高

13、精度恒流源和二階有源低通濾波器，優(yōu)化參數(shù)，匹配設(shè)計(jì)，提高抗干擾能力。②無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。射頻系統(tǒng)基于傳輸線理論，因此對(duì)器件布局，PCB設(shè)計(jì)，天線的方向都有很高的要求，設(shè)計(jì)高效射頻通路是系統(tǒng)的關(guān)鍵。③友好的人機(jī)界面。基于觸摸屏模式設(shè)計(jì)的終端，界面友好，操作簡(jiǎn)單。④網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文采用的相對(duì)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，適合小范圍的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，但對(duì)于監(jiān)控設(shè)備數(shù)量大的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可嘗試網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用精度高、可靠性高、網(wǎng)狀網(wǎng)進(jìn)一步完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。⑤融合物